生物技术通报 | 植物中光合产物运输相关蛋白研究进展

吕若彤，孙晶，李新颖，王旭晶，艾鹏飞，王雁伟

光合产物在植物的整个生命周期中起着重要的作用，参与并调节植物胚胎发育、萌发、生长、繁殖、衰老以及植物对疾病和环境刺激的反应，光合产物通过调节植物基因的表达来影响植物的生物合成、运输、储备和细胞生长。在植物生长发育过程中，植物源组织与库组织相互作用，通过源组织的活性和库组织的强度的变化来调节碳同化和分配，从而提高植物光合产物的积累。植物体内糖的运输对库组织中糖类的储存与植物的生长发育至关重要，当库组织的强度不足或源组织的光合产物输出缓慢时，会导致碳水化合物在源组织中滞留，从而影响植物光合效率，并抑制相关蛋白的活性，进一步影响植物的生长和发育。

韧皮部对植物体内的糖运输具有重要的生理意义。高等植物的源组织通过光合作用合成光合产物，利用韧皮部将它们运输到需要消耗大量能量的库组织，满足库组织在植物生长、繁殖和储存中的能量需求。因此，韧皮部糖运输不仅是植物能量流动的关键环节，也是植物整体生长发育和生理活动的基础。碳水化合物在整个植株体内的运输需要通过共质体途径、质外体途径与韧皮部组织的伴胞细胞（CC），筛管分子（SE）和韧皮部薄壁细胞（PP）这三种类型的细胞共同作用。源组织中光合产物通过依赖SE-CC复合体和相邻细胞之间的胞间连丝的共质体途径运输到韧皮部，再通过质外体途径使维管束PP中的蔗糖穿过韧皮部的SE-CC复合体的质膜输出到质外体，实现蔗糖从源组织到库组织的运输。光合产物在韧皮部运输的过程依赖糖转运蛋白，糖转运蛋白基因在植物生长发育、光合作用、能量代谢和抗逆性等方面起着关键作用，它们负责在植物体内不同组织间转运糖类物质，如蔗糖和葡萄糖，确保植物各部位获取足够的能量和碳源。此外，这些基因的表达受植物激素调控，参与源-库的物质分配，影响植物的生长模式和器官发育。在高等植物中，SUT、SWEET和MST通过协同作用来调节糖的分配与流动。糖转运蛋白通过调节光合产物的转运，对植物的能量代谢、生长发育、籽粒灌浆和作物产量起重要作用。除此之外，INV与SUS通过精准调控蔗糖的分解速率，为转运蛋白提供充足的底物供给，间接调控植物体内光合产物运输，同时，转运蛋白借助反馈调节机制反向作用于SUS与INV，影响其基因表达水平及酶活性。

探索光合产物相关转运蛋白在不同植物体内运输和协同分配碳水化合物的分子机制是开展高光效分子育种的有效抓手；对转运蛋白种类和生物学功能的总结综述能为阐明植物生长能量需求平衡的内在机理提供理论基础，对提升作物的产量和胁迫适应力、改良作物品质提供理论指导。

近日，《生物技术通报》在线发表了题为《》的文章。本文综述了植物中与光合产物运输相关的主要转运蛋白，重点介绍了不同植物中SUT、SWEET、INV等的生物学功能及其分子机制，探讨了它们在植物生长发育、抗逆性以及产量调控中潜在应用，以期为未来提高作物产量，推动农业生产提供新的理论依据和实践策略。

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本文主要包括以下几部分内容：

1 植物中糖转运蛋白的结构

2 植物中的SUT家族

2.1 拟南芥中的SUT家族

2.2 水稻中的SUT家族

2.3 其他植物中的SUT家族

3 植物中的SWEET家族

3.1 拟南芥中的SWEET家族

3.2 水稻中的SWEET家族

3.3 其他植物中的SWEET家族

4 植物中的MST家族

4.1 拟南芥中的MST家族

4.2 水稻中的MST家族

4.3 其他植物中的MST家族

5 影响植物光合产物转运的其他相关蛋白

5.1 INV

5.2 SUS

6 讨论

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光合产物转运相关蛋白的表达调控植物体内的可溶性糖的分配，为其生长发育提供能量、促进果实糖积累，还可响应外界生物胁迫和非生物胁迫，参与植物应对外界不良的环境。SUT和SWEET不仅在韧皮部的装载和卸载过程中发挥关键作用，还在源-库代谢过程中起到重要的信号传导功能以应对环境变化，MST能够逆浓度梯度协调植物中的碳稳态。这些糖转运蛋白根据在不同植物组织中的定位决定了它们在源组织和库组织中所执行的不同功能，它们之间可能会形成协同或拮抗作用。INV和SU是参与糖类代谢的主要酶类，会影响植物体内碳水化合物的运输，但具体与糖类代谢之间的内在联系还不清楚。研究光合产物转运相关蛋白介导植物体内光合产物运输，协调植物中的碳稳态，调节植物的生长发育，是理解这些蛋白的互作网络和调控机制，进一步揭示植物体内复杂的糖代谢调控网络的基础。

目前，对光合产物转运相关蛋白在模式植物中的研究取得了较为显著的进展，尤其是在拟南芥和水稻等模式生物中，相关的功能和表达模式已逐渐被揭示，为植物的糖运输和调控机制提供了重要的理论基础。随着对模式植物中光合产物转运相关蛋白基因的研究逐步完善，我们已经能够明确不同转运蛋白基因在不同植物器官中的分布及其作用机制，为植物的改良和高产育种提供了有价值的参考数据。然而，尽管模式植物中的光合产物转运相关蛋白基因生物功能研究已有一定基础，但多数植物仍未建立稳定的遗传转化体系，缺乏综合性的基因调控网络研究成果，对于其他植物物种中的这些蛋白的功能研究仍显薄弱，大部分研究限于较为简单的基因家族鉴定、分类、基因表达与相关生物学过程分析等内容。因此，植物光合产物转运相关蛋白对植物产量、抗逆性等的影响，其具体的分子机制、环境因素对其表达的调控等较多未知的生物学功能需要进一步探究。

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